无人机激光雷达无居民海岛地形地貌测测量方案

无人机激光雷达无居民海岛地形地貌测绘

测量方案

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目录

一、概述 (4)

1.1 工程名称 (4)

1.2 测量时间 (4)

1.3 测量原理 (4)

1.4 测量范围及测量内容 (5)

1.4.1 测量范围 (5)

1.4.2 测量内容 (6)

1.5 管理体系 (6)

1.6 测绘资源配备 (6)

1.6.1 人员配置 (6)

1.6.2 设备配置 (6)

1.6.3软件配置 (7)

1.6.3 交通配置 (7)

1.6.4 主要设备性能参数 (7)

1.6.4.1轴多旋翼参数 (7)

1.6.4.2激光雷达性能参数 (8)

1.6.4.3 IMU性能参数 (9)

二、无人机激光雷达测量依据及设计原则 (10)

2.1 无人机激光雷达测量依据 (10)

2.2 设计原则 (11)

三、无人机激光雷达测量设计 (11)

3.1 测量技术要求 (11)

3.1.1 平面坐标系 (11)

3.1.2 高程系统 (11)

3.1.3 点云密度 (12)

3.1.4 点云数据高程精度要求 (12)

3.1.5 飞行天气、场地、高度、速度要求 (12)

3.1.6 其他要求 (12)

3.2 地面GPS基站架设 (12)

3.3 任务航线设计 (13)

3.3.1 检校场设计 (13)

3.3.1.2 检校场地面控制点布设及测量要求 (14)

3.3.2 航线设计 (14)

3.4 磁罗盘的校准 (15)

3.5 无人机的实验性飞行 (16)

3.6 无人机搭载设备后的检查 (16)

3.7 无人机作业前的“8”字飞行（IMU累计误差的消除） (18)

3.8 无人机的正常飞行（航线飞行） (19)

四、内业处理 (20)

4.1 数据准备 (20)

4.1.1 原始数据下载 (20)

4.1.2 POS数据解算 (20)

4.1.3 原始点云数据与POS数据联合解算 (20)

4.1.4雷达数据处理 (20)

五、提交成果 (21)

六、质量、安全、环境、信息安全管理要求 (21)

6.1 质量管理要求 (21)

6.2 职业健康安全管理要求 (22)

6.2.1安全隐患分析 (22)

6.2.2安全生产保证体系 (22)

6.2.3安全生产管理岗位及职责 (22)

6.2.4安全生产措施 (23)

6.3 环境管理要求 (23)

6.3.1环保目标 (23)

6.3.2环境保护保证体系 (23)

6.3.2.1 组织保证 (23)

6.3.2.2 技术保证 (23)

6.3.3环境保护措施 (24)

6.4 信息安全管理要求 (24)

7、费用预算 (24)

无人机激光雷达无居民海岛

地形地貌测绘测量方案

一、概述

上海市无居民海岛包括九段沙的江亚南沙、崇明岛附近的冲击沙岛：白茆沙，东风东沙，东风西沙，三星西沙，三星东沙等。这些冲击沙岛屿包含，沼泽，芦苇等影响加大测量难度，增加测量人员危险的情况。

为了掌握无居民海岛的地形地貌特征，为海岛管理与开发提供依据。******对上述6个冲击沙岛进行无人机激光雷达（Lidar）进行地貌测绘。

1.1 工程名称

无人机激光雷达无居民海岛地形地貌测绘。

1.2 测量时间

计划测量时间：2016年10月。

1.3 测量原理

无人机激光雷达系统是以无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）为平台。主要由激光测距仪、GPS以及IMU三个基本的数据采集系统构成。激光扫描仪安装在飞机的下端，用于向地面发射激光脉冲，并采集信号从发出到返回所用的时间信号，返回时的强度信息以及扫描的角度信息，光速是已知的，由于GPS可以测得平台的坐标位置，再加上IMU所获得的飞机的姿态信息，因此，可以很容易地计算得出激光所达到的地面与激光发出点间的距离。GPS和IMU用于确定飞机飞行时的位置和姿态，从而定义了距离测量值的原点，经过坐标变换等计算，可以较精确地获得激光所到达地表面的三维坐标信息。无人机激光雷达系统工作原

理如图1所示

图1-2 无人机激光雷达系统工作原理

1.4 测量范围及测量内容 1.4.1 测量范围

江亚南沙，白茆沙，东风东沙，东风西沙，三星西沙，三星东沙。位置如图

1-1所示。无人机测量的陆域包括海岸线(平均大潮高潮位时海陆分界的痕迹线) `面积范围如图1所示，测绘范围总面积7.75km 2，各冲击沙岛的测量面积如表1-1所示。

图1-1 冲击沙岛位置图

表1-1 测绘范围信息表

崇明岛

浦东

浦东

九段沙

1.4.2 测量内容

冲积岛1:1000的无人机激光雷达测量。

1.5 管理体系

《***QMS EMS OHSMS ISMS一体化管理体系》

1.6 测绘资源配备

1.6.1 人员配置

计划此次测量总共投入6人，其中：测量项目负责人1人；机长1名、飞手1名；内业处理及成图3人。

1.6.2 设备配置

根据现场的实际情况拟投入的主要设备，如表1-2所示。

表1-2 拟投入的测量设备及相关材料清单

1.6.3 软件配置

无人机外业与内业软件表1-2

表1-2 拟投入的测量设备及相关材料清单

1.6.3 交通配置

根据测量对象所处的环境情况，配备交通船1艘、交通运输车1辆。

1.6.4 主要设备性能参数

1.6.4.1轴多旋翼参数

8轴多旋翼无人机如下图1-2，其性能指标参数如表1-3所示。

图1-2 8轴多旋翼无人机

表 1-3 8轴多旋翼无人机性能参数

1.6.4.2激光雷达性能参数

激光雷达如图1-3，其性能指标参数如表1-4所示。

图1-4 激光雷达表 1-5 激光雷达性能参数

1.6.4.3 IMU性能参数

IMU如图1-4，其性能指标参数如表1-5所示。

图1-4 IMU

表 1-6 IMU性能参数

二、无人机激光雷达测量依据及设计原则

2.1 无人机激光雷达测量依据

（1）本工程测量合同；

（2）***QMS EMS OHSMS ISMS一体化管理体系；

（3）***无人机安全管理规定（试行）；

（4）《机载激光雷达数据获取技术规范》（CHT 8024-2011）；

（5）《机载激光雷达数据处理技术规范》（CHT 8023-2011）；

（6）《数字航空摄影测量测图规范第1部分1：500,1：1000,1：2000 数字高程模型数字正射影像图数字线划图》（CHT 3007.1-2011）；

（7）《全球定位系统GPS测量规范》(GB/T 18314-2009)；

（8）《测绘技术设计规定》（CH /T 1004-2005）；

（9）《测绘成果质量检查与验收》（GB /T 24356-2009）；

（10）《测绘作业人员安全规范》（CH 1016-2008）；

（11）《无人机航摄安全作业基本要求》（CHZ 3001-2010）。

2.2 设计原则

无人机测量应结合本工程的天气状况、地形、地质条件，施工要求等因素综合考虑，测量方案既要实用有效，又要经济合理；测量的等级、周期、方法的选择、各项观测精度指标既要满足相应规范要求又要符合实际情况。

（1）本项目包括无人机激光雷达（Lidar）测量。测量以及内业实施要严格按照规范要求；

（2）尽量保持等权观测，即定设备，人，航线等。

（3）设备的选择应遵循以下原则：

1）设备的可靠性和稳定性良好。

2）激光，POS有足够的测量精度、灵敏度及相应量程。

3）无人机现场使用方便、简单、安全。

三、无人机激光雷达测量设计

3.1 测量技术要求

3.1.1 平面坐标系

平面坐标系：采用2000大地坐标系。

3.1.2 高程系统

高程系统：1985 国家高程基准。

3.1.3 点云密度

表 3-1 点云密度要求

3.1.4 点云数据高程精度要求

点云密度要求如表3-2。

本项目的测区处于植被茂密、反射率较低的区域等困难区域，点云数据高程中误差可是当放宽0.5倍。

表 3-2 点云数据高程精度要求

3.1.5 飞行天气、场地、高度、速度要求

不能在大雾天、雨天、雷暴天气、风力超过6级的大风天等天气进行飞行。

不能在禁飞区域地区飞行。

飞行高度50m，飞行设计速度4.8m/s。

3.1.6 其他要求

按照《机载激光雷达数据获取技术规范》（CHT 8024-2011）要求执行。3.2 地面GPS基站架设

为保证POS系统的定位精度，在航摄飞行前30分钟，需要在测区附近（距离小于30km）建立GPS基准站，基准站上架设高精度GPS信号接收机（本套系统配备的是与无人机POS系统的GPS接收机是相同品牌），该接收机与无人

机POS的GPS同步记录。后处理中利用PPK后处理差分技术解算出无人机的精确位置。

GPS基准站布设原则：

1）远离大功率的无线电发射源、距离高压输电线距离大于50m；

2）站点附近交通、供电、通讯条件良好，便于联络和数据传输；

3）站点附近视野开阔、地质稳定、易于保存；

4）人员稀少或不易到达的地方，避免闲杂人滋扰；

5）符合GPS控制测量要求，最好布设在已知点上。

3.3 任务航线设计

3.3.1 检校场设计

每次安装激光雷达时，其对应的坐标系轴线可能与飞机坐标系的轴线完全一致，存在roll（横滚角），pitch（俯仰角）,heading（航偏角）3个方向的定向误差。所以必须在现场进行检校场的飞行，检校场的布设如下图1-5。

图1-5 检校场航线布设示意图

现场检校的方法如下：

1)Roll 角的校准

同一条航线来回（如图1-5中C-D，D-C）。

2）pitch 角的校准

选择突出物体（如房子，堤坝，斜坡等），同一条航线来回（如图1-5中C-D，D-C）。

3）heading 角的校准

选择突出物体（如房子，堤坝，斜坡等）,两条平行且同向飞行的航线（如图1-5中A-B，C-D）。

为了验证校准值的有效性，E-F航线垂直于A-B，进行交叉内符合比对做差值，差值在0.15cm以内的90%。

3.3.1.2 检校场地面控制点布设及测量要求

1) 在检校场内布设地面控制点（含检查点）进行控制点测量；地面控制点（含检查点）宜布设为一个平面或一条直线，可按数据高程模型格网间隔的5倍（1:1000比例尺为5m）进行布设。

2）用于高程精度检校的控制点应布设在裸露的平坦地面上；平面精度检校的控制点需要时可布设为三维地面标志点。

3）地面控制点平面精度应不低于E级GPS点的精度要求，高程精度不低于等外水准的精度要求。

外符合精度要求参考表3-2的内容。

3.3.2 航线设计

无人机航高为50m，保障30%的重叠度，航线间距为70m。航线方向根据实地情况而定。

航线设计可以在测量实施前或者现场进行规划。利用地面站软件生成相应测区的测线。

图3-1 地面站软件测线生成

3.4 磁罗盘的校准

当无人机长期不用，或者无人机飞行明显的方向不正确则需要进行磁罗盘校准。

无人机磁罗盘校准图示如3-2，以及步骤如下：

图3-2 水平罗盘与磁罗盘校准

1.遥控器切到手动模式，油门收到底。

2.进入软件的磁罗盘校准界面。

3.分别进行水平磁罗盘与垂直罗盘校准如上图所示。

4.校准质量判断如图1-7。

图3-3 罗盘校准质量判断

3.5 无人机的实验性飞行

每次作业前必须进行无人机的无挂载设备的实验性飞行，以检验无人机的飞行性能：是否飞行稳定，点击平衡性与实际油门位是否正常，无人机是否能够接收到地面站的指令并能正确的飞行。

图3-4 实验性飞行的监控画面

3.6 无人机搭载设备后的检查

当无人机进行实验性飞行确定飞机平台没有故障之后，这个时候把搭载设备（激光雷达）挂载在无人机上。接通雷达探头的电源，观察指示灯情况：

图3-6 接通电源后的IMU指示灯状况

图3-5 接通电源后的雷达数据存储指示灯状况

根据所反映出来的问题及时进行故障排除。

3.7 无人机作业前的“8”字飞行（IMU累计误差的消除）

由于IMU容易受到累计误差的影响，因此，在入第一条航线前和出最后一条航线后，都必须进行IMU初始化飞行（平飞），以提高IMU的后处理精度。

在进行“8”字飞行前观察激光雷达数据采集软件Li-acquire软件，注意status界面下的AzimuthStd逐渐降低。这个时候可以进行“8”字飞行（8字半径大于50米）。

图3-5 Li-acquire status界面

图3-6 飞机的“8”字绕飞

当status界面中的RollStd,pitchStd,AzimuthStd精度较高（<0.1）时，开始采集激光雷达数据，地面站软件可以指示飞机执行进入航线，采集测量数据。

3.8 无人机的正常飞行（航线飞行）

需注意地面站软件所反映出来的警告和报警信息，尤其注意电池电量信息。

3.9 无人机降落

降落之前需要“8”字绕飞。

无人机的降落于起飞都必须进过人工手动起飞降落，操控手必须持有AOPA

颁发的驾驶员以上合格证。

降落之后，IMU，激光雷达需要静止3分钟后雷达设备关机，基准站关机。

四、内业处理

4.1 数据准备

4.1.1 原始数据下载

使用Li-Acquire软件通过RJ45网线接口连接激光雷达控制盒导出激光雷达原始数据；使用NovAtel Connect软件通过USB接口从基站控制盒中导出基站数据。数据导出后通过软件打开，验证其完整记录了整个飞行任务的数据。

4.1.2 POS数据解算

通过无人机机载POS系统所获得的数据与基站获得的GPS数据利用Inertial Explorer软件进行联合解算处理，可以获得满足点云处理要求的每一个事件点无人机的准确位置信息与姿态信息。

4.1.3 原始点云数据与POS数据联合解算

将导出的POS数据导入Li-Acquire软件，软件可以识别导入的POS数据，并可以使用POS数据解算出具有准确姿态位置的点云，满足后续作业处理要求。

4.1.4雷达数据处理

采用激光雷达数据处理软件TerraSolid平台，首先通过设置合理的绝对高程限差值来过滤掉噪声点，如：鸟，空中扬尘，跳点等，经过滤波之后的激光点可以直接生成数字表面模型（DSM）。然后利用激光分类算法对激光点云数据进行分类，先进行粗分类，将植被，建筑物，电力设施等地物数据与地表数据进行分离，实现对地表数据的提取；再结合植被多次回波特点和相关算法进行精细分类